[论文解读] Vacua Morghulis

Ben Freivogel, Matthew Kleban|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2016

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一句话总结

该论文猜想，弦理论中的所有真空均不稳定：非超对称真空通过亚稳衰变，而超对称真空则通过满足张力界限的域壁实现边缘不稳定。这表明，任意大范围的低能真空区域均可嵌入高能时空之中，尤其是在 de Sitter 和 anti-de Sitter 空间中，当宇宙学常数较小时，衰变过程发生在远小于视界的尺度上。

ABSTRACT

We conjecture that all vacua in string theory decay. More precisely, non-supersymmetric vacua in string theory are at most metastable and eventually decay, while supersymmetric vacua are only marginally stable. All de Sitter vacua with small cosmological constant are metastable to decay via a process that occurs on scales small compared to the horizon size.

研究动机与目标

• 提出弦理论中所有真空的普遍不稳定性界限，将弱引力猜想推广至真空衰变。
• 解决微扰稳定真空与非超对称真空不可能绝对稳定之间的矛盾。
• 探讨真空衰变对弦理论景观结构的影响，特别是在 de Sitter 和 anti-de Sitter 时空中的表现。
• 证明边缘稳定的真空可通过平坦域壁在假真空时空中实现任意大的真真空区域。
• 论证具有小宇宙学常数的 de Sitter 真空在衰变尺度上远小于视界大小，并在 Λ → 0 的极限下持续存在。

提出的方法

• 通过标量场与通量之间的对偶性，将域壁映射为带电膜，从而将弱引力猜想应用于真空衰变。
• 应用域壁张力的 BPS 界限，并与由爱因斯坦方程和瞬子衰变速率导出的稳定性界限进行比较。
• 利用 Israel 界面条件分析反 de Sitter 和 de Sitter 时空中的薄壁解，将外曲率不连续性与域壁张力关联。
• 在大半径极限下推导球形域壁的质量标度，表明一阶项出现负质量即意味着不稳定及气泡膨胀。
• 利用临界张力条件 $ T = 2(1/ ho_T - 1/ ho_F) $ 确定质量每单位面积在大尺寸极限下趋于零的临界点。
• 在宇宙学常数较小的极限下比较衰变速率，表明在景观的“大分界线”以下仍存在衰变通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 弦理论中所有非超对称真空是否最多为亚稳态，且不存在绝对稳定构型？
• RQ2 超对称真空是否总是通过满足 BPS 的域壁与其它真空相连，这对低能真空的嵌入有何影响？
• RQ3 是否可在高能假真空时空中嵌入任意大范围的低能真真空区域，其条件为何？
• RQ4 在宇宙学常数较小的 de Sitter 时空中，真空衰变是否发生在远小于视界尺度的范围内？
• RQ5 当宇宙学常数趋近于零时，de Sitter 真空的衰变是否仍稳定，意味着其位于“大分界线”之下？

主要发现

• 非超对称的闵可夫斯基和 AdS 真空最多为亚稳态，通过气泡成核衰变，其衰变速率快于庞加莱回归时间。
• 超对称真空为边缘不稳定，通过满足 BPS 张力界限的域壁与其它真空相连，使得平坦域壁可在真空中介导真空之间的连接。
• 在域壁张力饱和稳定性界限的临界情况下，大球形真真空泡的质量每单位面积趋近于零，从而在假真空时空中实现任意大的真真空区域。
• 对于宇宙学常数较小的 de Sitter 真空，衰变发生在远小于视界大小的尺度上，且在 Λ → 0 的极限下衰变过程持续存在，表明此类真空位于“大分界线”之下。
• 在大尺寸极限下质量每单位面积趋于零的薄壁解，证实了边缘稳定真空允许在假真空时空中构建宏观的真真空区域。
• 分析表明，当弱引力猜想通过对偶性推广至域壁时，可为瞬子作用提供上界，暗示弦理论中存在一种普遍的真空衰变机制。